研究人員利用3D生物打印技術(shù)，打造人體微型器官

疫情已經(jīng)在全球肆虐了半年之久，全球的科學(xué)家也在加快抗病毒新藥的研究。一些研究人員利用3D生物打印技術(shù)，打造人體微型器官，以此來研究新冠病毒的藥物療效。這種創(chuàng)新的背后有什么科學(xué)依據(jù)？這個(gè)項(xiàng)目有什么優(yōu)勢(shì)？多久可以實(shí)現(xiàn)推廣？本文通過采訪幾家研究所的科研人員，為讀者介紹這種3D生物打印技術(shù)新應(yīng)用。

在實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家正在用3D打印技術(shù)打造人體皮下組織和血管。在疫情期間，3D生物打印技術(shù)可以用來研究抗新冠病毒藥物的藥效

用3D打印技術(shù)打印微型器官

新冠疫情發(fā)展到現(xiàn)在，3D打印技術(shù)有效緩解了個(gè)人防護(hù)設(shè)備短缺的問題。

但是3D技術(shù)只能打印防護(hù)設(shè)備嗎？Wake Forest再生醫(yī)學(xué)研究所所長(zhǎng)安東尼·阿塔拉（Anthony Atala）給出了否定的答復(fù)?，F(xiàn)在，他和他的團(tuán)隊(duì)正在以一種十分創(chuàng)新的方式應(yīng)用3D打印技術(shù)：打造微縮版的人體器官（有些器官和針頭一樣細(xì)?。?，用于檢測(cè)新冠病毒的特效藥。

目前，這個(gè)小組正在打造微縮版的人體肺部和結(jié)腸，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，這兩種器官尤其受新冠病毒的影響。他們將打印好的器官通過快遞送到弗吉尼亞州的喬治·梅森大學(xué)的生物安全實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。

據(jù)悉，阿塔拉和團(tuán)隊(duì)最初是徒手搭建微縮器官的，隨著疫情的加速，他們及其他生物實(shí)驗(yàn)室需要的器官越來越多，他們決定用3D打印技術(shù)直接打印器官。

在過去的幾年中，阿塔拉所在的研究所已經(jīng)嘗試過打印器官的細(xì)胞簇，用以研究寨卡病毒對(duì)人體的傳染性及特效藥。他在北卡羅來納州的實(shí)驗(yàn)室接受記者采訪時(shí)說：“我們那時(shí)候從未想到這個(gè)方法也可以用來研究新冠病毒。”

現(xiàn)在，他的團(tuán)隊(duì)有能力在一小時(shí)內(nèi)印制上千個(gè)微型器官。

3D生物打印技術(shù)：科幻變現(xiàn)實(shí)

打印微型器官無疑是3D生物打印技術(shù)的一種應(yīng)用。盡管這種技術(shù)目前還沒有廣泛應(yīng)用，但已經(jīng)有越來越多的病患從中受益。我們現(xiàn)在還不能直接打印出一個(gè)完整的活人，但研究人員已經(jīng)可以用打印好的器官進(jìn)行藥物研究，或者根據(jù)需要打印出一塊皮膚和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的器官用于人體移植，這對(duì)肝臟衰竭者或燒傷者來說是一個(gè)福音。另外，對(duì)于可能傷害動(dòng)物或人體的測(cè)試（如化妝品測(cè)試），現(xiàn)在也都用3D生物技術(shù)代替活體實(shí)驗(yàn)了。

阿基列什·加哈瓦爾（Akhilesh Gaharwar）是得克薩斯農(nóng)工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室致力于生物打印技術(shù)和其他再生醫(yī)學(xué)技術(shù)。他對(duì)此評(píng)論道：“即使對(duì)我們（專業(yè)人員）來說，這種技術(shù)也像是只有科幻中才存在?！?/p>

目前，生物打印技術(shù)對(duì)藥物實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，不僅可以用來檢測(cè)新冠病毒的特效藥，還能檢測(cè)包括癌癥在內(nèi)的多種疾病的藥物。阿塔拉認(rèn)為，用打印出的器官做藥物實(shí)驗(yàn)還有一個(gè)好處：這些器官不會(huì)產(chǎn)生新陳代謝，可以讓研究人員排除干擾因素，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

他用一款名叫Rezulin的抗糖尿病藥舉例子。這是一款曾經(jīng)非常流行的藥，但后來被發(fā)現(xiàn)對(duì)肝臟有損害，于是在2000年左右被召回。阿塔拉說，他所在的實(shí)驗(yàn)室用剩下的Rezulin藥片和微型器官做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了這種藥物的毒性，因?yàn)閮芍苤畠?nèi)微型肝臟的毒性指數(shù)明顯提升了。他認(rèn)為微型肝臟為實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)“純凈”的環(huán)境，便于控制變量，不會(huì)像臨床試驗(yàn)?zāi)菢邮艿綄?shí)驗(yàn)個(gè)體情況的影響。

阿塔拉認(rèn)為，生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)將會(huì)是臨床試驗(yàn)的一個(gè)重要補(bǔ)充，但不會(huì)完全替代臨床試驗(yàn)。

如何打印器官和血管？

用生物打印技術(shù)制作出來的皮膚和器官可以用來檢測(cè)某種藥物或產(chǎn)品對(duì)人體的傷害。在傳統(tǒng)的藥物或產(chǎn)品檢測(cè)中，一些對(duì)動(dòng)物（如小白鼠）無傷害的成分最后卻對(duì)人體有害。加哈瓦爾說：“3D生物制品可以讓我們免于動(dòng)物測(cè)試，直接研究人體能否適應(yīng)某些成分?！彼J(rèn)為無論是從效果還是道德的角度考慮，用3D技術(shù)代替動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都是正確的選擇。2013年，歐盟開始明文禁止化妝品公司用動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)。

這些微型器官的支架被研究人員稱戲稱為“手腳架”，是用可降解的材料做成的。這些支架內(nèi)埋有直徑為50微米（大約是人類頭發(fā)的一半）的微型管道，為器官輸送營養(yǎng)物質(zhì)。在搭建好支架、安放好器官后，就可以在上面涂抹一層“生物墨水”——這是一種細(xì)胞和水凝膠合成的粘液，像蛋糕奶油一樣刷在支架上。

微型器官還有一個(gè)重要的部分就是血管。

潘卡·卡蘭德（Pankaj Karande）是倫斯勒理工學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院的助理教授，他從2014年開始研究如何打印皮膚，最近他的研究有了重大突破。他和他的團(tuán)隊(duì)使用一種特殊的纖維細(xì)胞和膠原蛋白做支架，這種細(xì)胞可以不斷生長(zhǎng)。他們以此為支架打印皮膚的表皮和真皮（皮膚的前兩層）。卡蘭德說：“看起來皮膚不介意被切成一塊，皮膚細(xì)胞還是可以活下來。”

但是他們發(fā)現(xiàn)，沒有血管做支持，打印出來的皮膚最終會(huì)脫落。于是卡蘭德等人開始和耶魯大學(xué)的兩位研究人員合作，最終成功構(gòu)建出了皮膚的第三層組織——皮下組織和血管?？ㄌm德說，第三層組織決定了移植后的皮膚是否可以存活。

Wake Forest研究所早期搭建的微型心臟

三個(gè)人著手開始進(jìn)行試驗(yàn)，將合成血管的內(nèi)皮細(xì)胞和包裹內(nèi)皮細(xì)胞的周細(xì)胞整合到皮膚中。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，他們終于在3D打印出的皮膚上成功打造了第三層皮下組織，將血管和皮膚融合在一起。

盡管這個(gè)項(xiàng)目目前還處于初級(jí)階段（已經(jīng)在小白鼠身上進(jìn)行了測(cè)試），但這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)在未來給人類更換皮膚和血管提供可能。

“個(gè)性化”成3D生物技術(shù)新挑戰(zhàn)

卡蘭德表示，這個(gè)項(xiàng)目是異常艱苦的，需要做很多實(shí)驗(yàn)，試錯(cuò)很多次?！拔覀兿葓?zhí)行計(jì)劃A，但它通常都是行不通的，然后我們開始在清單上找計(jì)劃B，計(jì)劃C，以此類推。我們最終的報(bào)告可能只有5頁是寫有效結(jié)果的，剩下5000頁都是記錄失敗實(shí)驗(yàn)的?！?/p>

加哈瓦爾的實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)在于如何打印可以移植的人體骨骼。他希望未來的移植骨骼流程如下：患者通過放射掃描，將需要移植的骨骼形狀進(jìn)行精準(zhǔn)的呈現(xiàn)，然后再進(jìn)行打印。他表示，這一點(diǎn)在顱面修復(fù)中至關(guān)重要，現(xiàn)有的顱面修復(fù)很難精準(zhǔn)地重建缺失或受損的骨骼形狀。

卡蘭德和加哈瓦爾的觀點(diǎn)一致。他認(rèn)為3D生物打印技術(shù)中“個(gè)性化”的成分很重要。在打印移植的皮膚時(shí)，需要考慮被移植者的膚色。而且，鑒于皮膚對(duì)調(diào)節(jié)體溫至關(guān)重要，因此他還在研究如何在皮膚中增加汗腺和毛囊?？ㄌm德表示：“當(dāng)我們重新構(gòu)建一塊皮膚時(shí)，我們希望它有人體皮膚的全部功能。我們通過獲取患者自己的細(xì)胞，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行打印，希望能最大程度上排除患者身體對(duì)移植皮膚的排斥?！?/p>

“最激動(dòng)人心的項(xiàng)目”

毫不意外的是，研究人員現(xiàn)在也在做研究數(shù)據(jù)的收集。Wake Forest研究所的成員正在和Oracle公司進(jìn)行合作，從人體器官中捕獲大量數(shù)據(jù)并使用人工智能進(jìn)行分析。這個(gè)項(xiàng)目被認(rèn)稱為“人體芯片”，基于收集到的數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以用3D生物打印技術(shù)打造微縮版的人體器官，進(jìn)行藥物功效的研究。

據(jù)悉，一個(gè)切片上可以容納10到12個(gè)迷你器官。

Oracle公司的健康科學(xué)部門首席科學(xué)家麗貝卡·拉伯德（Rebecca Laborde）表示：“我們現(xiàn)在在和研究人員、制藥公司和生物技術(shù)公司進(jìn)行合作，收集數(shù)據(jù)、開發(fā)新藥，相信可以很快取得進(jìn)展?！?/p>

她還補(bǔ)充說：“這么長(zhǎng)時(shí)間以來，這是我遇到的最激動(dòng)人心的項(xiàng)目?！?/p>